Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển quá trình cân định lượng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng đƣợc hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Hòa Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chƣa công bố dƣới hình thức trƣớc Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đƣợc tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Nếu phát có gian lận xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2016 Tác giả Bùi Giáp MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH LỜI NÓI ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG 10 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN LIỆU RỜI 10 1.1.1 Cấu tạo hệ thống 10 1.1.2 Nguyên lý tính lƣu lƣợng: 10 1.1.3 Tính lƣu lƣợng phƣơng pháp thực nghiệm: 12 1.2 HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG 13 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân định lƣợng 13 1.2.2 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển cân định lƣợng 14 Chƣơng 2: XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG 16 2.1 LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN .16 2.1.1 Băng tải 16 2.1.2 Động cơ, biến tần .17 2.1.3 Bộ đo tốc độ băng tải Encoder 22 2.1.4 Đo mật độ liệu băng .24 2.1.5 Sơ đồ cấu trúc đối tƣợng 25 2.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BĂNG PLC S7-300 26 2.2.1 Tổng quan: 26 2.2.2 Module mở rộng 28 2.2.3 Cấu trúc nhớ CPU 29 2.2.4 Vòng quét chƣơng trình 31 2.2.5 Đặc tính kỹ thuật PLC CPU313C 32 2.3 MÁY TÍNH GIÁM SÁT 34 2.3.1 Tổng quan WINCC 35 2.3.2 Chức trung tâm điều khiển .35 2.4 SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG .40 Chƣơng 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 42 3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CÁC KHỐI TRONG PLC 42 3.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC KHỐI 44 3.2.1 Khối FB41 (Khối PID mềm) 44 3.2.2 Khối SFB48 .52 3.2.3 Khối FC105 54 3.2.4 Khối SC106 56 3.2.5 Chƣơng trình PLC .57 3.3 XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH GIÁM SÁT CÂN ĐỊNH LƢỢNG 62 Chƣơng 4: KHẢO SÁT HỆ THỐNG .69 4.1 XÁC ĐỊNH MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN 69 4.1.1 Phƣơng pháp xác định mô tả toán học đối tƣợng 69 4.1.2 Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình .69 4.1.3 Xây dựng chƣơng trình thực nghiệm .70 4.1.4 Nhận xét 72 4.2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG BẰNG MATLAB – SIMULINK 73 4.2.1 Tổng hợp vòng điều khiển tốc độ 73 4.2.2 Tổng hợp vòng điều khiển lƣu lƣợng 74 4.3 KHẢO SÁT TRÊN HỆ THỐNG THỰC .76 4.3.1 Điều khiển tốc độ với điều khiển khâu tỷ lệ 76 4.3.2 Điều khiển lƣu lƣợng .79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: 84 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Diễn giải ĐC Động HS Hộp số Biến tần BT BC PG Encoder XILO MT Máy tính BBĐ Bộ biến đổi ADC Analog Digital Convert 10 DAC Digital Analog Convert 11 HSC Hight Speed Counter 12 PLC Programble Logic Control 13 MTGS Máy tính giám sát 14 TBĐK Thiết bị điều khiển 15 ĐTĐK Đối tƣợng điều khiển Băng tải Thùng chứa vật liệu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Chƣơng 2: Xây dựng cấu hình hệ thống Bảng 2- 1: Chức chân vào biến tần 18 Bảng 2- 2: Các tham số cài đặt cho biến tần M440 20 Chƣơng 3: Xây dựng chƣơng trình điều khiển Bảng 3- Biến hình thức đầu vào khối SFB41 49 Bảng 3- 2: Biến hình thức đầu khối SFB41 .51 Bảng 3- 3: Thông số cài đặt cho SFB48 53 Bảng 3- 4: Mã lỗi khối SFB48 54 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Chƣơng 1: Tổng qua hệ thống cân định lƣợng Hình 1- 1: Cấu tạo hệ cân liên tục .10 Hình 1- 2: Bàn cân 10 Hình 1- 3: Sơ đồ nguyên lý hệ cân băng 13 Hình 1- : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cân định lƣợng .15 Chƣơng 2: Xây dựng cấu hình hệ thống Hình 2- 1: Sơ đồ khối hệ thống 16 Hình 2- 2: Mô hình hệ thống băng tải .16 Hình 2- 3: Động kéo băng tải .17 Hình 2- 4: Biến tần M440 18 Hình 2- 5: Sơ đồ nguyên lý biến tần M440 19 Hình 2- 6: Cấu tạo encoder 23 Hình 2- 7: Cấu tạo loadcell 24 Hình 2- 8: Bộ khuếch đại loadcell 25 Hình 2- 9: Sơ đồ khối đối tƣợng điều khiển .25 Hình 2- 10: PLC S7-300 27 Hình 2- 11: Vòng quét chƣơng trình 31 Hình 2- 12: Sơ đồ nguyên lý kết nối kênh vào số 33 Hình 2- 13: Sơ đồ nguyên lý kết nối kênh vào analog 34 Hình 2- 14: Sơ đồ kết nối hệ thống 40 Chƣơng 3: Xây dựng chƣơng trình điều khiển Hình 3- 1: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình 42 Hình 3- 2: Cấu trúc khối FB41 45 Hình 3- 3: Cấu trúc luật điều khiển 46 Hình 3- 4: Cấu trúc hàm FB41 SIMATIC S7 48 Hình 3- 5: Cấu trúc khối hàm SFB48 SIMATIC S7 53 Hình 3- 6: Cấu trúc hàm FC105 SIMATIC S7 55 Hình 3- 7: Thiết lập cấu hình cứng cho trạm PLC 57 Hình 3- 8: Chƣơng trình PLC 62 Hình 3- 9: Cửa sổ làm việc phần mềm WINCC .63 Hình 3- 10: Tạo thiết bị kết nối 63 Hình 3- 11: Chọn kết nối MPI 64 Hình 3- 12: Chọn tên kết nối .64 Hình 3- 13: Tạo tag nội .65 Hình 3- 14: Tạo nhóm tag 65 Hình 3- 15: Điền tên nhóm tag 66 Hình 3- 16: Tạo tag liên kết với PLC 66 Hình 3- 17: Tag liên kết tới PLC .67 Hình 3- 18: Cửa sổ làm việc Graphics Designer 67 Hình 3- 19: Các công cụ hỗ trợ 68 Hình 3- 20: Giao diện Graphics Designer sau hoàn thành 68 Chƣơng 4: Khảo sát hệ thống Hình 4- 1: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình 70 Hình 4- 2: Chƣơng trình thực nghiệm .71 Hình 4- 3: Đƣờng đặc tính đối tƣợng 72 Hình 4- 4: Cấu trúc vòng điều khiển tốc độ 73 Hình 4- 5: Đáp ứng đầu vòng điều khiển tốc độ 74 Hình 4- 6: Cấu trúc đối tƣợng điều khiển 75 Hình 4- 7: Đáp ứng đầu hệ thống 75 Hình 4- 8: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình 76 Hình 4- 9: Chƣơng trình điều khiển tốc độ .78 Hình 4- 10: Kết WinC 78 Hình 4- 11: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình 79 Hình 4- 12: Chƣơng trình điều khiển lƣu lƣợng Error! Bookmark not defined Hình 4- 13: Giao diện giám sát WinCC .80 Hình 4- 14: Kết đầu điều khiển lƣu lƣợng 81 Hình 4- 15: Bộ điều khiển PLC S7-300 82 Hình 4- 16: Mô hình hệ thống cân băng định lƣợng 82 LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, ngày hệ thống băng tải đƣợc sử dụng rộng rãi dây chuyển sản xuất, nhà máy khu chế xuất, nhà máy xi măng, trạm trộn bê tông, nhà máy chế biến thức ăn gia súc, nhà máy chế biến thực phẩm Băng tải không đóng vai trò vận chuyển nguyên vật liệu, thành phẩm mà đóng vai trò hệ thống cân, đo, đếm hệ thống điều khiển liên tục Hệ thống cân băng định lƣợng khâu quan trọng giúp cho nhà máy hoạt động cách liên tục Cân băng định lƣợng khâu dây chuyền công nghệ nhằm cung cấp xác lƣợng nguyên liệu cần thiết cho nhà máy, lƣợng nguyên liệu đƣợc ngƣời lập trình cài đặt giá trị trƣớc Khi mà lƣợng nguyện liêu băng tải đòi hỏi phải tăng tốc động lên để băng tải chuyển động nhanh nhằm cung cấp đủ lƣợng nguên liệu cần thiết Ngƣợc lại lƣợng nguyên liệu băng tải vận chuyển với lƣu lƣợng nhiều thiết bị tự động tự động điều khiển cho động quay với tốc độ chậm lại phù hợp với yêu cầu Với hiểu biết thân công nghệ kiến thức học đƣợc với mong muốn giúp đỡ em học sinh có them nhìn tổng quan hệ thống điều khiển, với khuyến khích thầy Nguyễn Văn Hòa, mạnh dạn thực đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển trình cân định lượng Phƣơng pháp nghiên cứu: Phương pháp thực nghiệm Trọng tâm đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển trình cân định lƣợng sử dụng điều khiển PLC S7-300 hãng SIEMENS ứng dụng hàm điều khiển FB41 tích hợp Trong trình làm luận văn, đựơc giúp đỡ thầy giáo –TS Nguyễn Văn Hòa nhƣ số thầy giáo Viện đào tạo sau đại học, Viện điện Bản luận văn hoàn thành đƣợc nội dung sau: Chương Tổng quan hệ thống cân định lượng - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ thống cân định lƣợng Chương Xây dựng cấu hình hệ thống - Xây dựng cấu hình băng chuyền - Lựa chọn thiết bị điều khiển Chương Xây dựng chương trình điều khiển - Phân tích hệ thống, xây dựng chƣơng trình điều khiển PLC giao diện điều khiển giám sát máy tính Chương Khảo sát hệ thống - Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng điều khiển - Khảo sát hệ thống Matlab-Simulink - Khảo sát hệ thống thực Kế luận kiến nghị Cuối em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Văn Hòa thầy giáo Viện đào tạo sau đại học, Viện điện – Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội giúp em hoàn thành luận văn Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN LIỆU RỜI 1.1.1 Cấu tạo hệ thống Cân định lƣợng hệ thống cân liên tục, lƣu lƣợng liệu đƣợc tính toán dựa tốc độ băng tải mật độ vật liệu băng tải Sơ đồ hệ thống cân định lƣợng đƣợc mô tả nhƣ hình 1-1 Hình 1- 1: Cấu tạo hệ cân liên tục Trong đó: 1: Phễu cấp liệu 2: Băng tải Load cell (đo mật độ liệu băng tải) Encoder (đo tốc độ băng tải) Hộp giảm tốc Động điện Hình 1- 2: Bàn cân 1.1.2 Nguyên lý tính lƣu lƣợng: Lƣu lƣợng liệu vận chuyển băng tải đƣợc xác định theo công thức sau: q = v.ql (1-1) 10 Hình 4- 2: Chương trình thực nghiệm 71 Ta có đƣờng đặc tính nhƣ sau phần mềm WinCC nhƣ hình 4-3 Hình 4- 3: Đường đặc tính đối tượng 4.1.4 Nhận xét - Đƣờng đặc tính đƣờng bậc thang, nguyên nhân chù kỳ cập nhận phần mềm WinCC đến nhớ đệm PLC 250ms - Từ đồ đƣợng đặc tính đối tƣợng ta thấy đối tƣợng khâu quán tính bậc - Đặt giá trị ban đầu 0.1m/s giá trị đo đƣợc 0.135(m/s) - Sau tăng lên 0.3m/s, giá trị đo đƣợc 0,401m/s - Ta có hàm truyền đạt đối tƣợng có dạng nhƣ sau: Gđt  (0.401  0.135) /( 0.3  0.1) 1.33  Ts  Ts  (4-1) - Trong T số thời gian tích phân khâu quán tính bậc - Từ đƣờng đặc tính hình 4-3 ta xác định đƣợc T = 5s 72 - Vậy hàm truyền đối tƣợng là: Gđt  1.33 5s  (4-2) 4.2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG BẰNG MATLAB – SIMULINK Hàm truyền đối tƣợng theo (4-2): Gđt  1.33 5s  4.2.1 Tổng hợp vòng điều khiển tốc độ Đối tƣợng khâu quán tính bậc trễ nhƣng vòng điều khiển bên nên có yêu cầu sau: - Đáp ứng nhanh - Chấp nhận đƣợc sai lệch tĩnh - Nên ta chọn điều khiển khâu tỷ lệ P Cấu trúc vòng điều khiển tốc độ đƣợc mô tả nhƣ hình 4-4 Hình 4- 4: Cấu trúc vòng điều khiển tốc độ Hình 4-5: đồ thị đáp ứng đầu vòng điều khiển tốc độ đầu vào bƣớc nhảy 73 Hình 4- 5: Đáp ứng đầu vòng điều khiển tốc độ Nhận xét: Ta thấy tín hiệu có sai lệch tĩnh với tín hiệu đặt, nhiên thời gian đáp ứng nhanh 1,33 12 15,96 Hàm truyền kín hệ Gdt  5s   1,33.12 5s  16,96 1 5s  (4-3) 4.2.2 Tổng hợp vòng điều khiển lƣu lƣợng Đối tƣợng điều khiển đối tƣợng tƣơng đƣơng với mạch vòng điều khiển tốc độ có hàm độ điều khiển đƣợc mô tả hình 4-4 hàm truyền đạt đƣợc xác định G( s)  15,96 0.94  5s  16,96 0,3s  Chọn điều khiển khâu tích phân có dạng: R( s)  Trong tham số TI  2.k.T  2.0,94.0,3  0,564 kp 74 kp TI s Chọn kp = 1; Ti = 0,564 Ta có điều khiển: R( s)  0,564s Ta đƣợc cấu trúc hệ thống điều khiển lƣu lƣợng đƣợc mô tả nhƣ hình 4-6 Hình 4- 6: Cấu trúc hệ thống điều khiển lưu lượng Hình 4- 7: Đáp ứng đầu hệ thống Nhận xét: - Thời gian độ khoảng 4s - Sai lệnh tĩnh - Độ điều chỉnh khoảng 2,5% 75 4.3 KHẢO SÁT TRÊN HỆ THỐNG THỰC 4.3.1 Điều khiển tốc độ với điều khiển khâu tỷ lệ Cấu trúc chƣơng trình điều khiển tốc độ đƣợc mô tả nhƣ hình 4-8 Hình 4- 8: Sơ đồ cấu trúc chương trình Hoạt động: Khối SFB48 đo tốc độ kết kết đƣa qua nhân MUL đƣợc đƣa tới nhớ đệm MD216 gửi lên máy tính để giám sát đƣa tới khối FB41 khối điều khiển tốc độ Khối FB41 nhận hai giá trị từ máy tính giá trị mong muốn địa MD208 hệ số KP địa MD212 Kết khối FB41 chuyển đến khối FC106 để đƣa tới biến tần qua chuyển đổi analog MD212 địa lƣu giá trị mong muốn Sp máy tính xuống; MD408 địa lƣu giá trị kp máy tính xuống; MD216 địa lƣu tốc độ đo đƣợc Chƣơng trình điều khiển tốc độ viết khối OB1 đƣợc mô tả nhƣ hình 4-9 76 77 Hình 4- 9: Chương trình điều khiển tốc độ Hình 4- 10: Kết WinC 78 4.3.2 Điều khiển lƣu lƣợng Cấu trúc chƣơng trình điều khiển lƣu lƣợng nhƣ hình 4-11: Tín hiệu đo tốc độ đƣợc phát dạng tần số đƣa đến cổng đếm tốc độ cao HSC, chuyển thành giá trị số lƣu vào nhớ đệm có địa PIW768 Hình 4- 11: Sơ đồ cấu trúc chương trình Khối SFB48 nhận giá trị từ nhớ đệm PIW768 tính toán tần số, kết đƣợc nhân với hệ số K lệnh nhân MUL để đồng kết tốc độ (m/s) băng tải Kết đƣợc chuyển tới khối FB41(2) điều khiển tốc độ lƣu vào nhớ có địa MD258 để truyền lên máy tính giám sát Tín hiệu mật độ liệu băng dƣới dạng điện áp 0~10vdc đƣợc đƣa đến cổng vào chuyển đổi analog AI0 đƣợc chuyển thành giá trị số lƣ vào nhớ đệm có địa PIW752, khối FC105 đồng hệ số (kg) kết đƣợc nhân với hệ số K1 lệnh MUL để đồng kết Kết đƣợc chuyển đến khối FB41(1) điều khiển lƣu lƣợng đƣợc lƣu vào nhớ đệm có địa MD216 để truyền lên máy tính giám sát 79 Tín hiệu điều khiển tốc độ đƣợc khối FC106 nhận kết từ khối FB41(2) đến vào đệm chuyển đổi analog out có địa PIW752, kết điện áp 0~10vdc điều khiển biến tần MD200 chứa giá trị lƣu lƣợng mong muốn(kg/h) MD204 chứa hệ số kp điều khiển lƣu lƣợng MD208 chứa hệ số ki điều khiển lƣu lƣợng MD212 chứa hệ số kp điều khiển tốc độ MD216 chứa giá trị tốc độ băng tải MD220 chứa giá trị lƣu lƣợng đo đƣợc Chƣơng trình đƣợc viết khố OB1 Giao diện giám sát điều khiển WinCC, đƣợc mô tả nhƣ hình 4-12 Hình 4- 12: Giao diện giám sát WinCC 80 Hình 4- 13: Kết đầu điều khiển lưu lượng Nhận xét: Đã xây dựng thành công mô hình hệ thống cân định lƣợng sử dụng PLC để điều khiển máy tính để giám sát Với mô hình thí nghiệm ta tiến hành thí nghiệm sau: 1) Xác định mô tả toán học đối tƣợng phƣơng pháp thực nghiệm 2) Khảo sát hệ thống điều khiển tốc độ thay đổi điều khiển khác 3) Khảo sát hệ thống cân định lƣợng thay đổi điều khiển khác PI, PID 81 Hình 4- 14: Bộ điều khiển PLC S7-300 Hình 4- 15: Mô hình hệ thống cân băng định lượng 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong trình làm luận văn, đựơc giúp đỡ thầy giáo –TS Nguyễn Văn Hòa nhƣ số thầy giáo Viện đào tạo sau đại học, Viện điện, luận văn hoàn thành với kết đạt đƣợc nhƣ sau: Đã tìm hiểu hệ thống cân định lƣợng công nghiệp Trên sở xây dựng hoàn chỉnh mô hình thí nghiệm hệ cân định lƣợng bao gồm: Hệ thống băng tải trang thiết bị cần thiết nhƣ động cơ, biến tần, thiết bị đo tốc độ mật độ liệu băng Đã sử dụng PLC S7-300 để điều khiển hệ thống Đã xây dựng hoàn chỉnh chƣơng trình điều khiển cho PLC chƣơng trình giám sát máy tính Trên sở hệ thống xây dựng đƣợc tiến hành thí nghiệm ban đầu nhƣ: Xác định mô hình toán học đối tƣợng, điều khiển tốc độ băng tải điều khiển trình cân định lƣợng Trên sở mô hình cho phép tiến hành thí nghiệm sau: Tìm hiểu hệ thống kết nối PLC với đối tƣợng điều khiển máy tính giám sát Xác định mô hình toán học đối tƣợng phƣơng pháp thực nghiệm chủ động Hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng sử dụng cá thuật toán điều khiển PID Hệ thống điều khiển cân định lƣợng sử dụng thuật toán điều khiển PID 83 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: - Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiễu tác động để nâng cao chất lƣợng hệ thống - Tích hợp hệ thống cân băng định lƣợng với hệ thống điều khiển trình công nghiệp 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Nguyễn Doãn Phƣớc (2009), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyến Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà (2000), Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Văn Hoà (2001), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Nxb Khoa học kĩ thuật, Hà Nội http://www.dientuvietnam.net luồng lập trình PLC WinCC TIẾNG ANH Siemens AG, Siemens_manual_over_s7-300_moduler Siemens AG, System and Standard Functions for S7-300 and S7-400 Siemens AG, S7pidcob Siemens-Micromaster-440-Manual 85 ... nội Chuyển liệu từ cổng vào tới vùng đệm ảo I Chuyển liệu từ vùng đệm ảo Q tới cổng Thực ch-ơng trình Hỡnh 2- 11: Vũng quột chng trỡnh Chỳ ý rng, b m I v Q khụng liờn quan ti cỏc cng vo/ra tng